超短激光脈沖在V型三能級原子介質中的動力學特性研究.pdf

1、周期量級超短激光脈沖與物質相互作用是國際上近年來興起的激光物理學前沿課題。開展周期量級超短激光脈沖在原子、分子等介質中引起的極端非線性光學特性研究，能夠豐富非線性光學內容，并將促進光物理、量子信息科學及阿秒科學等新興或交叉學科的發(fā)展。量子相干控制也是國際上近年來興起的前沿研究領域，周期量級超短激光脈沖與物質相互作用中的量子相干控制研究作為交叉前沿，具有重要的科學意義和潛在的應用價值。 基于光與物質相互作用的半經(jīng)典理論，用Maxw

2、ell方程描述電場，用密度矩陣方程描述介質。本學位論文利用時域有限差分法和預估校正法，求解不包含旋波近似和慢變幅近似的Maxwell—Bloch方程，對極端非線性光學條件下，周期量級超短激光脈沖在V型三能級原子系統(tǒng)中的傳輸特性和頻譜特性進行了理論研究，并分析了各能級的粒子數(shù)布居，取得了一系列創(chuàng)新性的研究成果。主要內容和結果如下： 1.對稠密的Rb原子介質中，周期量級超短激光脈沖的傳播特性和各能級粒子數(shù)布居進行研究，結果表明：超短

3、脈沖在稀疏介質和稠密介質中的傳播規(guī)律明顯不同，稀疏介質中，由于載波電場時間導數(shù)的影響，脈沖的后沿出現(xiàn)微弱振蕩。稠密介質中，由于宏觀極化強度的增強，脈沖的前沿和后沿均出現(xiàn)快速振蕩成分，且入射脈沖面積越大，振蕩現(xiàn)象越明顯。稠密介質中，由于介質折射率的增大，脈沖群速度變小，又由于載波效應增強，脈沖更容易發(fā)生分裂。在入射介質處，稀疏介質中粒子數(shù)布居可以實現(xiàn)長時間的反轉，而在z≠0μm處，粒子數(shù)布居僅在光場不為零的地方產(chǎn)生拉比振蕩，面積越大，拉比

4、振蕩的次數(shù)越多。 稠密介質中，考慮和不考慮LFC效應兩種情況下，脈沖的傳輸特性和各能級粒子數(shù)布居也明顯不同?？紤]LFC效應時，脈沖的群速度較大，NDD相互作用促進了脈沖的傳播和分裂，并且脈沖面積越小NDD相互作用的影響越顯著。粒子布居拉比振蕩發(fā)生的時間較早，NDD相互作用加快了粒子數(shù)的反轉。考慮和不考慮LFC效應兩種情況下，載波的相位差明顯不同，絕對相位可以相差π。 2.在第四章研究的基礎上，首次討論了躍遷電偶極矩的比值

5、對周期量級激光脈沖的傳輸特性和各能級粒子數(shù)布居的影響。結果表明，兩躍遷偶極矩的比值γ對脈沖的傳輸特性具有顯著的影響。γ不同，入射面積為某些閾值時，脈沖傳輸過程中分裂的脈沖數(shù)發(fā)生改變。γ≤1的情況下，考慮LFC效應時，脈沖群速度減小，NDD相互作用延緩了脈沖的傳播和分裂。脈沖傳播出現(xiàn)時間延遲現(xiàn)象，入射脈沖面積越小，延遲現(xiàn)象越顯著。入射面積相同時，γ越小，由于脈沖的有效面積減小，脈沖延遲現(xiàn)象也更加顯著。兩躍遷偶極矩的比值對稠密介質中的粒子數(shù)

6、布居反轉出現(xiàn)的時間和振蕩的次數(shù)也具有顯著的影響，γ不同，入射面積為某些閾值時，粒子數(shù)布居發(fā)生拉比振蕩的次數(shù)發(fā)生改變。γ≤1時，考慮LFC效應時粒子數(shù)反轉出現(xiàn)的時間較晚，NDD相互作用延緩了粒子數(shù)的反轉。 3.通過數(shù)值模擬具有不同初始相位的周期量級激光脈沖的傳播特性，結果表明，對于大面積的脈沖，由于強的自相位調制作用，周期量級激光脈沖的載波和相應的光譜對初始相位具有很強的敏感性。分裂子脈沖的相位差要大于主脈沖的相位差，子脈沖的傳播

7、距離顯著不同，與φ=0π時相比，φ=0.5π時脈沖的傳播發(fā)生了延遲現(xiàn)象，隨著傳播距離的增大，延遲現(xiàn)象更加明顯。 脈沖的頻譜出現(xiàn)振蕩特性，隨著傳播距離的增加，這種振蕩特性表現(xiàn)的更加明顯。對于大面積脈沖，由于自相位調制作用頻譜被展寬，頻譜中出現(xiàn)高頻成分，高頻成分的振幅隨著傳播距離的增大而增大，出現(xiàn)較為顯著的連續(xù)波。脈沖面積一定，脈寬較大時，脈沖較容易發(fā)生分裂，且共振頻率附近的振蕩較為強烈。脈寬較小時，脈沖頻譜中的高頻成分比較顯著。其

8、它條件一定，初始相位不同時，由于相干效應的不同，脈沖頻譜受到初始相位的影響，但不足以引起高頻成分的顯著變化。φ=0.5π時頻譜中高頻成分的連續(xù)性比φ=0π時好，高頻成分比較均勻，呈現(xiàn)良好的平坦性。 4.通過數(shù)值分析和模擬，研究了共振條件下，雙色超短脈沖在稀疏介質中的傳輸特性和頻譜特性，并分析了各能級的粒子數(shù)布居。結果表明：初始相對載波包絡相位對脈沖的傳播和分裂都有很大的影響。隨著相對相位的增加，雙色場的相干作用增強，脈沖的振幅變

9、小，脈寬變大，分裂子脈沖的數(shù)目也會減少。相對相位較小時，色散作用對脈沖傳輸特性的影響較為顯著。相對相位也直接影響各能級粒子數(shù)布居的演化，隨著相對相位的增加，粒子數(shù)布居產(chǎn)生拉比振蕩的次數(shù)減少。在入射界面處，通過調整相對相位可以實現(xiàn)粒子布居長時間的反轉。初始相對載波包絡相位不同時，由于相干效應的不同，雙色場的拉比頻率和載波拉比振蕩受到相對相位的影響，引起高頻成分的顯著變化。傳播距離一定時，隨著初始相對相位的增大，頻譜的振幅減小，高頻成分逐漸

10、減弱甚至消失。在共振頻率附近，透射光譜的振蕩特性強烈依賴于初始相對相位和兩脈沖的時間間隔。 5.研究了稠密的Rb原子介質中，雙色超短脈沖的傳輸特性和頻譜特性，并分析了各能級粒子數(shù)布居特性。結果表明：在稠密介質中，隨著初始相對相位的增大，脈沖前沿的振蕩相對增強而后沿的振蕩減弱。與考慮LFC效應時相比，不考慮LFC效應時，脈沖的傳播出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，隨著初始相對相位的增大，延遲現(xiàn)象更加顯著，NDD相互作用促進了脈沖的傳播和分裂。隨著粒子

11、數(shù)密度的增加，由于四波混頻和自相位調制的影響，光譜特性受到很大的影響，光譜發(fā)生分裂，光譜成分發(fā)生移動。原中心頻譜逐漸消失，光譜的藍移（高頻成分）和紅移（低頻成分）發(fā)生。藍移頻帶的振幅大于紅移頻帶的振幅。初始相對相位越小，光譜紅移和藍移的現(xiàn)象越明顯。頻譜的振幅主要取決子粒子數(shù)密度，粒子數(shù)密度越大，頻譜的振幅越小。初始相對相位對頻譜的振幅也具有一定的影響，頻譜的振幅隨著相對相位的增大而減小，相應的高頻成分逐漸減弱。 全文內容共分為九

12、章，前三章主要介紹當前這一研究課題的研究現(xiàn)狀、主要內容和研究方法。第一章為緒論，概述了超短脈沖激光技術的發(fā)展與應用，周期量級超短激光脈沖與物質的相互作用以及量子相干控制的研究概況。第二章介紹了周期量級脈沖傳播的基礎理論。首先給出了脈沖電場的復函數(shù)表示形式，簡單分析了脈沖載波相位的物理意義，然后簡述了周期量級脈沖放大中的主要效應，并簡單介紹了傳統(tǒng)的面積定理。第三章給出研究超短脈沖激光與物質相互作用的半經(jīng)典數(shù)值計算方法，先推導出描述三能級原